干冰清洗方案(简)

干冰清洗技术

今天，干冰清洗这项新技术被广泛应用于许多领域，从粘结牢固的溶渣清除到精密的半导体元件和印刷线路板清洗都很有效。干冰清洗无需拆装设备，可高温在线清洗，对设备没有损伤。与传统的有毒化学清洗，高压水射流清洗以及磨损性喷砂清洗、玻璃微珠清洗不同，干冰清洗利用高速气流中的干冰颗粒去除表面污垢，干冰颗粒瞬时气化，没有残留，没有二次清理残留废物的麻烦和高额费用。

什么是干冰？

干冰是CO2的固态存在形式，CO2常态下是一种无色无味的气体，自然存在于空气中，虽然CO2在空气中的含量相对而言很小（体积比大约占0.03%）但它却是我们所认识到的最重要的气体之一。

CO2是维持生命的一种自然物质，它是碳循环中一个关键元素。它是农作物所含碳水化合物中碳元素的唯一来源，促进植物生长；它有助于缓和大气温度。动物的呼吸每天向大气中排放2800万吨CO2，与之相比，美国CO2工业每日只能供应25000 吨CO2。95%的CO2是从其它产品中的副产品中得到，用合成方法得到的CO2不到总产量的0.04%。

在-78℃低温，CO2以固体形式存在。在常压下，固体CO2直接升华，没有液化过程，这一特性意味着喷射介质彻底消失，只留下原有污垢碎片待处理。另外，不能用水清洗的地方，现在用干冰清洗完全可以做到。

喷射所用CO2的等级与食品和饮料工业所用CO2是一样的，经美国农业部（USDA），食品与药物（FDA）管理局以及环境保护局（EPA）验证是安全，可靠的。CO2是一种无毒，易液化的气体，它很便宜并且易于保存。同样重要的

是，它不导电并且没有可燃性。

CO2是工业生产过程中的一种副产品，如发酵过程和石油精炼过程，均产生高纯度CO2。这些生产过程中产生的CO2被收集、贮存起来待用，当喷射过程中CO2升华排放到大气中时，并没有新的CO2产生。只是原来的CO2副产品在重新利用后被排放掉了。

表1列出了CO2的物理特性。

表1：CO2特性

分子量 44.01

密度（固态） 1560kg/m3(-78℃)

密度（液态） 1019 kg/m3(-17.8℃)

密度（气态） 2 kg/m3(0℃)

熔点 -57℃

沸点 -78.5℃

液体转化为气体比率 8.726SCF(气体)/LB

(液体-17.8℃,压力21 kg/cm2)

液体转化为固体比率 0.46（-17.8℃）

0.57（-48.3℃）

干冰清洗是怎么样工作的？

基本过程：

与喷钢砂，喷玻璃砂，喷塑料砂和喷苏打相似，干冰喷射介质干冰颗粒在高压气流中加速，冲击要清洗的表面。干冰清洗的独特之处在于干冰颗粒在冲击瞬间气化。干冰颗粒的动量在冲击瞬间消失。干冰颗粒与清洗表面间

迅速发生热交换。致使固体CO2迅速升华变为气体。干冰颗粒在千分之几秒内体积膨胀近800倍，这样就在冲击点造成“微型爆炸”。由于CO2挥发掉了，干冰清洗过程没有产生任何二次废物，留下需要收集清理的只是清除下来的污垢。

象其它喷射介质一样，干冰颗粒的动量取决于其质量和速度，由于干冰密度相对较低，要达到所需要的冲击能量主要取决于干冰颗粒的速度。

与其它喷射介质不同，干冰颗粒温度极低（-78℃）。这样的低温使干冰清洗具有独特的热力学性能，影响粘附污垢的机械性能。由于干冰颗粒与清洗表面间的温度差,就发生热冲击现象。材料温度降低、脆性增大,干冰颗粒能够将污垢层冲击破碎。参考图2、图3。

图2 热冲击导致污垢层皲裂.

图3 CO2气化膨胀和颗粒动量传递清除污垢.

具有不同热膨胀系数的两种不同材料,它们之间的温度差会破坏两种材料间的结合。在从金属物质上清除非金属污垢时,这样的热冲击现象最为明显.

干冰清洗对清洗对象的影响：

许多客户关心清洗过程中的热冲击对清洗母体金属的影响。研究表明,

温度的降低只发生在金属表面,不会对金属造成破坏。有一个实验演示了这样一个原理。在这个实验中,热电隅被埋入钢锭的不同深度(从表面到2mm深).参考图4.

图4 热电隅离表面的距离.

持续对实验样品进行干冰喷射30秒(干冰清洗中相对很长的一段时间)，热电隅记录下了不同深度的温度变化.如图5所示,在表面安装的热电隅显示了每次直接喷射的温度下降值(5秒内下降50 ℃)。相对比，埋入不同深度的热电隅温度缓慢下降,30秒后2mm深的热电隅只下降了10℃。这个曲线表明：“热冲击”只发生在污垢与基体结合的表面,对清洗对象没有损伤.

图5 不同深度热电隅的温度变化

另外研究干冰清洗热冲击的办法是观察其在橡胶模具中的应用.这个应用中,温度超过150℃的模具直接被-78℃的干冰颗粒喷射,两者之间的温度差并不会导致模具破裂。这个现象有两个原因。首先,如上所述,降温只发生在表面;其次,这样的热冲击远小于普通热处理中模具所遇到的热冲击.

即使在很高的速度下,直接冲击清洗表面，干冰与砂粒相比,动能冲击也是很小的。这是由于干冰硬度不大,并且在冲击瞬间气化。由于没有磨损，干冰清洗可广泛用于各种材料的清洗上。软材料，如铜铝镀层可用干冰清洗而不会造成磨损。

干冰喷射机类型

从输送干冰颗粒至喷嘴的方法不同分，喷射机可分为两大类：单喉管喷射机和双喉管喷射机。在任何一种机型中，恰当的选择干冰喷射管都是很重要的。因为干冰温度很低，并且在管道输送中要保持干冰颗粒的完整性。

双喉管机型中，干冰颗粒用不同的方法输至喷管入口，并由喷嘴产生的真空吸力将干冰吸至喷嘴。该机型中，从机器引出两根管道，一个输送压缩空气，一个输送干冰颗粒，两管在喷枪处汇合。汇合处，压缩空气管道产生真空，将干冰粒从干冰管道中吸出，在喷枪中汇合、加速，喷射向清洗表面。干冰与空气混合物喷射速度的马赫值略微能达到超音速，这种机型的优点是相对简单，用材少，供冰系统简洁，主要的缺点是适用范围小，并且干冰冲击力和污垢清除能力不及单喉管机型。

单喉管系统中，干冰颗粒直接由机械方式供入压缩空气管道，在此单管中干冰颗粒与空气混合、加速，从喷嘴喷出。单喉管机型喷嘴中喷射速度马赫值通常在1.7-3.0之间，取决于设计和空气压力。这种机型的优点是具有宽的适用范围和最大的喷射冲击力，缺点是有相对复杂的机械系统。

相对而言，直接使用干冰颗粒的喷射机漏斗中充满预先制好的干冰颗粒。用机械振动的方法，将颗粒送入漏斗底部，送进输送系统。这些干冰颗粒经高压挤出成型，密度大，能够产生最大的冲击能量。这些颗粒直径1mm-3mm。单喉管喷射系统中，最终颗粒尺寸和喷射密度受喷射管（管径，内壁，粗糙度）和喷嘴影响。正是由于这样的设计，单喉管喷射机经过适当配置可适用于很宽范围的污垢清理。

软的粘结层如：橡胶、硅胶、泡沫、石蜡、脱膜剂、树脂、食物残留等，需要大颗粒和低喷射密度的干冰喷射才能达到最好的清洗效果和清洗效率。这些污垢需要最大化的热冲击能量（大尺寸颗粒）和冲击颗粒间大的间隔，才能使清洗效果最好。相反，坚硬的污垢如油漆、积碳等，则需要小颗粒，高喷射密度的高流速的干冰。